Bài 17. Aren (Hydrocarbon thơm)
Tìm hiểu về benzene và các dẫn xuất - hydrocarbon có vòng thơm.
Lý thuyết Aren (Hydrocarbon thơm)
1. Benzene - Đại diện của aren
a) Cấu tạo phân tử
Công thức phân tử: C₆H₆
Cấu trúc:
- Vòng 6 cạnh phẳng
- 6 nguyên tử C lai hóa sp²
- 6 liên kết C-C bằng nhau (139 pm)
- Trung gian giữa C-C (154 pm) và C=C (134 pm)
Hệ thống π liên hợp:
- 6 electron π phi định xứ
- Tạo vòng electron bền vững
- Năng lượng cộng hưởng: 150 kJ/mol
Công thức cấu tạo: Vòng 6 cạnh với vòng tròn bên trong
b) Tính chất vật lý
- Chất lỏng không màu
- Mùi đặc trưng
- Nhiệt độ sôi: 80°C
- Nhiệt độ nóng chảy: 5.5°C
- Không tan trong nước
- Tan trong dung môi hữu cơ
- Độc, gây ung thư
c) Công thức chung của aren
CₙH₂ₙ₋₆ (n ≥ 6)
Ví dụ:
- C₆H₆: Benzene
- C₇H₈: Toluene (methylbenzene)
- C₈H₁₀: Xylene (dimethylbenzene)
2. Tính chất hóa học của benzene
a) Phản ứng thế (đặc trưng)
1. Thế halogen:
C₆H₆ + Br₂ → C₆H₅Br + HBr (Fe, bột)
Tạo bromobenzene
2. Thế nitro:
C₆H₆ + HNO₃ → C₆H₅NO₂ + H₂O (H₂SO₄ đặc, 50-60°C)
Tạo nitrobenzene
3. Thế alkyl (phản ứng Friedel-Crafts):
C₆H₆ + CH₃Cl → C₆H₅CH₃ + HCl (AlCl₃)
Tạo toluene
b) Phản ứng cộng
Cộng hydrogen (khó khăn):
C₆H₆ + 3H₂ → C₆H₁₂ (Ni, t° cao, p cao)
Tạo cyclohexane
Cộng chlorine (ánh sáng):
C₆H₆ + 3Cl₂ → C₆H₆Cl₆ (ánh sáng UV)
Tạo hexachlorocyclohexane
c) Phản ứng cháy
C₆H₆ + 7.5O₂ → 6CO₂ + 3H₂O
Ngọn lửa đen khói (nhiều C)
d) So sánh với alkene
- Benzene: Phản ứng thế (bền vững)
- Alkene: Phản ứng cộng (hoạt động)
- Benzene không làm mất màu Br₂, KMnO₄ (điều kiện thường)
3. Dẫn xuất của benzene
a) Toluene (C₆H₅CH₃)
Cấu tạo: Benzene có nhóm CH₃
Tính chất:
- Phản ứng thế vào vòng benzene
- Phản ứng ở nhóm CH₃ (oxi hóa)
Oxi hóa toluene:
C₆H₅CH₃ + 2[O] → C₆H₅COOH + H₂O (KMnO₄, t°)
Tạo benzoic acid
b) Styren (C₆H₅CH=CH₂)
Cấu tạo: Benzene có nhóm vinyl (-CH=CH₂)
Tính chất:
- Phản ứng cộng vào C=C
- Phản ứng trùng hợp
Trùng hợp:
nC₆H₅CH=CH₂ → (-CH(C₆H₅)-CH₂-)ₙ
Tạo polystyrene (PS)
c) Naphthalene (C₁₀H₈)
Cấu tạo: 2 vòng benzene liên kết
Tính chất:
- Chất rắn, mùi đặc trưng
- Dùng làm thuốc chống mối mọt
d) Ứng dụng dẫn xuất benzene
| Chất | Ứng dụng |
|---|---|
| Toluene | Dung môi, sản xuất TNT |
| Styren | Sản xuất PS (hộp xốp) |
| Phenol | Nhựa phenolic, thuốc sát trùng |
| Aniline | Thuốc nhuộm, dược phẩm |
4. Nguồn gốc và ứng dụng
a) Nguồn gốc
1. Từ dầu mỏ:
- Chưng cất phân đoạn
- Reforming (chuyển hóa alkane)
- Phương pháp chính hiện nay
2. Từ than đá:
- Chưng khô than đá
- Thu hồi từ khí than
- Phương pháp cũ
3. Tổng hợp:
- Từ acetylene: 3C₂H₂ → C₆H₆
- Hiệu suất thấp
b) Ứng dụng benzene
1. Dung môi:
- Hòa tan chất hữu cơ
- Sản xuất sơn, keo
- Chiết xuất
2. Nguyên liệu hóa học:
- Sản xuất styren → PS
- Sản xuất phenol → Nhựa
- Sản xuất aniline → Thuốc nhuộm
- Sản xuất nylon, thuốc trừ sâu
3. Nhiên liệu:
- Thành phần xăng (tăng chỉ số octane)
- Nhiên liệu máy bay
c) Tác hại và an toàn
Tác hại:
- Độc, gây ung thư máu (leukemia)
- Ảnh hưởng hệ thần kinh
- Gây đột biến gen
An toàn:
- Làm việc trong môi trường thông gió
- Đeo khẩu trang, găng tay
- Tránh hít phải hơi benzene
- Giới hạn nồng độ: < 1 ppm
Các dạng bài tập
Dạng 1: Dạng 1: Nhận biết và viết phương trình
Phương pháp giải:
Phương pháp:
- Xác định loại phản ứng (thế, cộng, cháy)
- Viết PTHH với điều kiện
- Tính toán theo mol
Ví dụ:
a) Với Br₂ (Fe):
C₆H₆ + Br₂ → C₆H₅Br + HBr (Fe, bột)
Giải thích:
- Phản ứng thế (substitution)
- Fe là xúc tác tạo FeBr₃
- H trên vòng benzene bị thế bởi Br
- Sản phẩm: Bromobenzene
b) Với HNO₃ (H₂SO₄ đặc):
C₆H₆ + HNO₃ → C₆H₅NO₂ + H₂O (H₂SO₄ đặc, 50-60°C)
Giải thích:
- Phản ứng thế nitro
- H₂SO₄ đặc là chất hút nước
- H bị thế bởi nhóm NO₂
- Sản phẩm: Nitrobenzene (mùi hạnh nhân đắng)
c) Với H₂ (Ni, t°):
C₆H₆ + 3H₂ → C₆H₁₂ (Ni, t° cao, p cao)
Giải thích:
- Phản ứng cộng (khó khăn)
- Cần nhiệt độ và áp suất cao
- Phá vỡ vòng thơm bền
- Sản phẩm: Cyclohexane
Dạng 2: Dạng 2: Bài toán về phản ứng cháy
Phương pháp giải:
Phương pháp:
- Viết PTHH: CₙH₂ₙ₋₆ + (3n-3)/2 O₂ → nCO₂ + (n-3)H₂O
- Quan hệ: n(CO₂) - n(H₂O) = 3n(aren)
- Tính toán theo mol
Ví dụ:
a) Tính thể tích O₂:
Bước 1: Tính số mol benzene
n(C₆H₆) = 7.8 / 78 = 0.1 mol
Bước 2: Viết PTHH
C₆H₆ + 7.5O₂ → 6CO₂ + 3H₂O
Bước 3: Tính n(O₂)
n(O₂) = 7.5 × 0.1 = 0.75 mol
V(O₂) = 0.75 × 22.4 = 16.8 lít
b) Tính khối lượng CO₂ và H₂O:
Tính n(CO₂):
n(CO₂) = 6 × 0.1 = 0.6 mol
m(CO₂) = 0.6 × 44 = 26.4g
Tính n(H₂O):
n(H₂O) = 3 × 0.1 = 0.3 mol
m(H₂O) = 0.3 × 18 = 5.4g
Đáp án: V(O₂) = 16.8 lít; m(CO₂) = 26.4g; m(H₂O) = 5.4g
Dạng 3: Dạng 3: Bài toán thực tế về sản xuất
Phương pháp giải:
Phương pháp:
- Phân tích quy trình
- Tính toán hiệu suất
- Đánh giá ứng dụng
Ví dụ:
Giai đoạn 1: Tạo ethylbenzene
C₆H₆ + C₂H₄ → C₆H₅C₂H₅ (AlCl₃, t°)
n(C₆H₆) = 78,000 / 78 = 1000 kmol
n(C₆H₅C₂H₅) lý thuyết = 1000 kmol
n(C₆H₅C₂H₅) thực tế = 1000 × 80% = 800 kmol
m(C₆H₅C₂H₅) = 800 × 106 = 84,800 kg = 84.8 tấn
Giai đoạn 2: Tạo styren
C₆H₅C₂H₅ → C₆H₅CH=CH₂ + H₂ (t° cao, xt)
n(styren) lý thuyết = 800 kmol
n(styren) thực tế = 800 × 85% = 680 kmol
m(styren) = 680 × 104 = 70,720 kg = 70.72 tấn
Tính số sản phẩm PS:
m(PS) = 70.72 tấn = 70,720,000 g
Số sản phẩm = 70,720,000 / 50 = 1,414,400 sản phẩm
Đáp án: 70.72 tấn styren, ~1.4 triệu sản phẩm PS